DC/DC kapcsolóüzemű feszültségátalakítók működése
A DC/DC konverterek napjaink telepes táplálású elektronikai készülékeinek elengedhetetlen alapelemei, hiszen ezek áramkörei gyakorta különböző tápfeszültséget igényelnek, de helyhiány miatt általában nincs lehetőség többfajta elem használatára.

 

A megoldás DC/DC átalakítók használata lehet, melyek segítségével akár a telepfeszültségnél nagyobb feszültség is nyerhető. A kimenet általában szabályozott, mely nagyon előnyös, amikor a telepfeszültség a tárolt energia elvesztésekor csökkenni kezd. Azokat a DC/DC átalakítókat, melyek a bemeneti feszültségnél kisebb kimeneti feszültséggel rendelkeznek, „step-down” vagy „buck” konvertereknek, a nagyobb feszültséget előállító verziókat pedig „step-up” vagy „boost” konvertereknek hívjuk.

A feszültségátalakítók általános áttekintése

A telepfeszültségtől eltérő feszültségeket többféle módon állíthatunk elő, például ellenállás-alapú feszültségosztóval, vagy lineáris feszültségszabályzók használatával. De ezek a megoldások csak a telep feszültségénél kisebb értékek előállítására alkalmasak, és a hatásfokuk is alacsony – amennyiben a feszültségesés magas, és az áramerősség nagy, a felesleges energia hő formájában disszipálódik.

Sokkal kifizetődőbb a kapcsolóüzemű DC/DC átalakítók használata, melyek az energiát ideiglenesen mágneses vagy elektromos térben tárolva, és azt a megfelelő időben felszabadítva, a kimeneten a bemenettől eltérő feszültséget állítanak elő. A hatásfok jelentősen nagyobb, ami a telep élettartamának növekedéséhez vezet.

Step Down / Buck átalakítók

A bemeneti feszültségnél (Vin) a kimeneten alacsonyabb feszültséget (Vout) előállító DC/DC konvertereket „step-down” vagy „buck” konvertereknek nevezi a szakirodalom. A működési elvük az első ábrán látható ideális áramkör segítségével értelmezhető. Az áramköri képen látható kapcsoló reprezentálja azt a komponenst, ami a telep folyamatos le- és visszakapcsolásáról gondoskodik, és ami valójában egy MOSFET vagy egy IGBT.

Az induktivitás az energia tárolására szolgál, a telep bekapcsolása utáni tranziens a mágneses mező felépülése folytán feszültségesést indukál, mely a terhelésre jutó feszültséget csökkenti. Ha a kapcsoló a tér felépülésének befejeződése előtt újra kinyit, a kimenetre jutó feszültség folyamatosan a telep feszültsége alatt marad.

 

Buck konverter működése

 

Ebben a pillanatban a flyback dióda kinyit, újra zárt áramkör jön létre, és az induktivitás mágneses terében tárolt energia újra elektromos energiává alakul, és áramot hajt át a terhelésen. Addig, amíg a kikapcsolt állapot rövidebb, mint a tekercs mágneses mezejének leépülési ideje, a terhelésen az induktivitás folyamatos áramot hajt át, a kimeneti feszültség átlagértéke pedig a bemeneti feszültség értéke alatt marad. A párhuzamosan kapcsolt kondenzátor a kapcsolgatás miatti folyamatos fluktuáció keltette ripple feszültség simítására szolgál.

Amennyiben működés közben az induktivitás árama sohasem csökken nullára, folyamatos működési módról beszélünk. Amennyiben a tekercsben tárolt energia nem elegendő a kikapcsolási fázis teljes hossza alatt az áram fenntartásához, az időnként nullára csökken, szakaszos üzemben működik a DC/DC konverter. A különbségek a lenti ábrán láthatók:

 


Folyamatos működés | Szakaszos üzem

 

Szinkron DC/DC konverterek

A buck konvertereknek létezik egy a hagyományos áramköri elrendezésből származtatott továbbfejlesztett változata is, ahol a flyback diódát egy a felső kapcsoló működésével ellentétes fázisú kiegészítő vezérléssel ellátott második kapcsolóeszköz (alsó kapcsoló) helyettesíti. Ez az eszköz is a valóságban egy MOSFET vagy IGBT, melynek RDSon értéke a flyback diódáénál nagyságrenddel kisebb, így az eredetileg a diódán eső feszültség miatti veszteségek minimalizálhatók.

Természetesen mindkét esetben a veszteség az aktív ciklusidő (duty cycle) hosszával arányos. Másik előnye ennek az elrendezésnek az eszköz bidirekcionális volta. Azonban az előnyöknek ára van, a jobb jellemzők drágább áramköri megoldásokkal párosulnak.

A New Japan Radio NJW4177 kapcsolóüzemű feszültségszabályzó IC-je egy ilyen szinkron „buck” DC/DC konverterhez használható. A beépített 40V/2A MOSFET széles bemeneti feszültségtartományon (3,6 V–40 V) való működtetést tesz lehetővé. 300 kHz vagy 450 kHz kapcsolási frekvenciájú változatok kaphatóak. A beépített fáziskiegyenlítő áramkör és a soft-start funkció lehetővé teszi a külső komponensek számának minimalizálását. Az áramszabályzásos működési mód miatt a kis ESR értékű MLCC kondenzátorok is használhatóak, így jelentősen csökkenthető a tápegységhez szükséges hely a nyomtatott áramkörön.

 

NJW4177 Step down konverter 

 

Kis terhelések esetén a szokásos impulzusszélesség modulációs elven működő feszültségszabályzók hatásfoka erősen csökken, ami főleg elemes táplálás esetén jelent gondot, mert a telep gyorsabb lemerüléséhez vezet. Az NJW4177 ilyen esetben PFM (impulzus frekvencia modulációs) módban is használható, mely a FET kapcsolási veszteségeinek csökkenésén keresztül pozitívan hat a hatásfokra.

Alkalmazása elsősorban a gyors tranziens választ igénylő tápellátású mikroprocesszor vagy digitális hangprocesszor áramkörök területén indokolt, de az autóelektronikai kiegészítők, valamint akkumulátoros készülékek tápellátása is biztosítható vele, ahol fontos a kis szivárgási áram eléréséhez szükséges engedélyező bemenet megléte és az alvó módban minimális standby áram (<5 μA).

 

NJW4152 áramköri elrendezés

 

Egy másik termék az NJW4152 buck konverter 40V/600mA vagy 40V/1A MOSFET-tel, melyet 4,6 V–40 V bemeneti feszültségtartomány jellemez. Az induktivitás áramát érzékelve a kimeneti feszültség kerül visszacsatolásra (current mode control). A kapcsolási frekvencia 300 kHz és 1 MHz között választható, nagyobb kapcsolási frekvencia esetén kisebb méretű tekercs is elegendő. A kimeneti feszültség 0,8 V és a (Vin-1V) közötti értékek közé állítható. Alkalmazási területe elsősorban autóelektronikai kiegészítők, irodaautomatizálási készülékek és ipari szerszámok tápellátása.

Step Up / Boost konverterek

Azokat a DC/DC konvertereket, melyeknek a kimeneti feszültsége a bemeneti feszültségük felett van, step-up vagy boost konvertereknek nevezzük. Az ideális kapcsolásuk és a működési alapelvük az alább ábrán tekinthető át:

 

 

Boost konverter működése

 

Amikor a kapcsoló bekapcsolt állapotban van, az induktivitás elkezd töltődni, mágneses tere felépül, miközben a terhelésre jutó feszültség nulla. A kapcsoló kikapcsolásakor a tekercsben tárolt mágneses energia ismét elektromos energiává alakul, és a telep mellett másodlagos feszültségforrásként táplálja az áramkört, a diódán keresztül a telep feszültségénél nagyobb feszültséggel kezdik el táplálni a terhelést és tölteni a kimeneti kondenzátort. Amikor a kapcsoló ismét kikapcsol, a kondenzátor elkezd kisülni. Ha a kapcsolgatás elég gyors ahhoz, hogy a kondenzátor ne süljön teljesen ki, a következő ciklus előtt, akkor a terhelésre jutó feszültség értéke mindig a bemeneti feszültség felett marad.

 

 

NJW4141 Boost üzemmódban

 

 

 

NJW4140 Flyback elrendezésben

 

Az egyik népszerű boost konverter a New Japan Radio NJW4140 IC-je, mely N csatornás beépített MOSFET-jével nagy áramú alkalmazásokban használható, széles 3,0 V–40 V bemeneti feszültségtartománnyal rendelkezik, és néhány külső áramköri elem felhasználásával kiváló megoldás lehet boost / flyback konverterként autókiegészítők, irodai eszközök tápellátására, valamit LED vezérlésére is. Beépített túláram és túlmelegedés elleni védelemmel van ellátva.

 

Cikkünk az Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH közreműködésével készült. Szerzője Kiss Zoltán Kelet-Európai értékesítési vezető, kiemelt nemzetközi ipari kapcsolatokért felelős vezető.
 
Értékesítési iroda: H-1188 Budapest, Kölcsey u. 102/A.
 
E-mail: z.kiss@endrich.com
 
Web: www.endrich.com
 
További konzultációért és mintákért, adatlapokért keresse Kiss Zoltánt!

 

Gyárban sztár: öt fontos új ipari technológia
A legmodernebb technológiák és összekapcsolt eszközök használatával biztonságosabban és hatékonyabban működhetnek az üzemek, és átláthatóbb lesz a termelés.
A digitális korban is hatékony megoldás a PC-alapú automatizálás
Ma már Magyarországon is egyre több vállalatvezető ismeri fel azt, hogy a digitalizáció előbb-utóbb nélkülözhetetlenné válik a folyamatok ipar 4.0 elvek szerinti átszervezésében - mondja Perecz Tamás, a Beckhoff Automation magyarországi leányvállalatának ügyvezetője.
Alanyi jogon járó ösztöndíjat adna a gyáriparosok szövetsége
Új javaslattal állt elő a hazai szakképzés megújítására a Munkaadók és Gyáriparosok Országos Szövetsége. A német duális szakképzés 2030-ig tartó, megújított rendszerét tekintették irányadónak a több mint két évig tartó munka során.
Tűt a szénakazalban – RTLS megoldással
Az elmúlt években már nélkülözhetetlenné vált a logisztika minden ágában a logisztikai egységek (dobozok, ládák, raklapok stb.) vonalkódos vagy RFID azonosítókkal való ellátása és az azonosítók használatával az ellátási láncban való folyamatos követésük.
Sebezhető adatokból áll emberi énünk
Informatikai biztonságról ma már egyre szélesebb körben beszélünk - egészen a gyermekeinket és a családunkat fenyegető veszélyektől a social media profilunk adataival való visszaélésen át a vállalati információk megóvásáig.